钻杆

钻探钻杆柱磨损分析

摘要：本文先依次分析了钻探中钻杆柱自身材质缺陷，工作环境及受力特征，然后结合上述分析讨论了钻杆

柱磨损的五种具体表现形式，最后对减少钻杆柱的磨损提出了一些看法。

关键词：钻探钻杆柱磨损

钻探中，钻杆柱的磨损是一个很严重的问题。钻杆

柱磨损到一定程度，就应该更换新的。目前对钻杆柱的直径

还没有达到用仪器自动监测的程度，大多是技术人员在现场

进行目测，用游标卡尺测量钻杆柱的直径。而使用专门技术

人员监测钻杆直径情况，常常是针对孔深较深的钻孔。当钻

杆柱磨损严重，而没被注意，在遇到使钻杆柱应力集中的异

常情况时，易发生钻杆柱折断的事故。在好的岩土层中，如

果钻孔垂直度好，没发生缩径和扩孔，打捞钻杆柱相对容易，

否则将浪费大量的时间，造成经济损失，对于深孔钻探，造

成的损失更加明显。钻杆柱的磨损研究受到了较多科技工作

者的高度重视。本文分析了铁路钻探中钻杆柱磨损的外因与

内因，以及磨损的具体表现形式。

一、钻杆的材质缺陷

从材质的角度来看，钻杆内部存在着在缺陷。生产车间

在生产钻杆时，有热处理这道工序。在加热和冷却过程中，

钻杆内部组织会发生改变。热处理通常消除钻杆内部粗粒组

织，使其结构细化，能受更大的应力。但局部总存在暇疵。

在高倍电子显微镜下观察钻杆晶粒结构，发现它是由许多离

子、原子按一定规则排列起来的空间格子构成的，晶格一般

处于稳定的平衡状态。晶粒之间常存在着为数不多的夹杂物、

空洞等缺陷,在这些晶粒里，甚至在弹性范围以内，当力还不

太大时，就可能发生塑性变形。

二、钻杆工作环境钻探多采用回转钻进，对取芯困难的岩层如砂层、

全风化层等情况也采用冲击钻进。钻杆柱在工作中，与钻杆

柱发生作用的主要介质包括钻井液与岩土层。

铁路钻探钻井液一般是水基钻井液，这是一种多相不稳

定体系，以水为分散介质（连续相），以粘土为分散相（固相），

加入一定的化学处理剂或加重材料组成。其成分包括水、膨

润土、化学处理剂（如滤失剂羧甲基纤维素）、气体（溶解氧、

二氧化碳气体、硫化氢气体）及其它腐蚀介质如Cl-、SO42-、

Ca2+、CO32–及HCO3-等。钻探中岩芯常见的有土层、砂卵石层、

全风化岩层、强风化破碎带岩层、弱风化岩层等。砂卵石层及坚

硬的强风化岩层等复杂地层对钻杆柱造成的磨损比其它岩层尤为

厉害。

三、钻杆柱工作受力特征

在工作过程中，钻杆柱的运动方式包括自转与绕钻孔中

心的公转，在深孔钻探中这两种运动方式通常是共存的。钻

杆所受力为复合应力，主要包括以下几个分项：钻杆受到钻

杆自重引起的拉应力，在横向应力作用下产生的弯曲应力，

由扭矩的作用产生的剪应力，钻杆振动引起的轴向及横向应力，与岩层的摩擦力，以及与钻井液的作用。

四、钻杆磨损表现形式

1．磨粒磨损

磨粒磨损是由外界硬质颗粒或硬表面的微峰在摩擦副对偶

表面相对运动过程中引起表面擦伤与表面材料脱落的现象，钻杆柱的表面特征是产生擦伤撕裂、纵向拉痕、局部剥落和裂纹。磨粒磨损机理为微观切削,多次塑变导致断裂以及微观断裂。

钻杆柱在复合应力状态下，易发生较大的弯曲，弯曲后

突起的地方与坚硬的岩层之间产生严重的摩擦。钻杆柱表面

的淬火处理厚度一般为1mm,在淬火层磨损掉后，以后的磨

损速率将加快。在深孔钻探中，有时候取出的钻杆表面有明

显的擦痕，这是磨粒磨损的表现。

2．粘着磨损

粘着磨损是当摩擦副两对偶表面作相对滑动时，由于粘

着致使材料从一个表面转移到另一表面或材料从表面脱落而

引起的磨损现象。由于摩擦副两对偶表面间实际接触面积很小，接触点应力很高，摩擦副对偶表面处于这种高温和高应

力状态下，杆件表面发生破裂，使接触微峰产生粘着，随后

在滑动中粘着点被剪断。

钻杆的弯曲使其局部与岩层发生摩擦，局部接触点的高

应力构造了粘着磨损的条件。

3．疲劳磨损

疲劳磨损是摩擦副两对偶表面作滚动或滚冲蚀磨损机理表现

为：在低角冲蚀时,以微裂纹和微切削

的形式为主；高角冲蚀时,以裂纹扩展和脆性断裂为主。

钻杆柱工作过程中，旋转速度都较大，与钻井液的相对

速度也大，如果钻井液粘度及重度都大，含砂量高，加上长

时间的钻进，则会对钻杆柱造成的不容忽视的冲蚀磨损。

五、对减少钻杆柱的磨损的看法

1．研发优质材料钻杆

要使用高强度材料，选用轻质铝合金等材料作为钻杆材

料；改善加工工艺，做好热处理，使钻杆内部内部结构更加

细化完美。

2．控制好钻孔的垂直度

钻孔的垂直度高，则钻杆柱与孔壁接触面相应减少，处于

绕轴自转的情况增多，从而减少了钻杆柱与孔壁的摩擦程度。3．改善钻井液

使用无固相钻井液，降低钻井液的粘度及密度，以减少

对钻杆柱的冲蚀磨损；提高PH值，抑制酸性气体对钻杆柱

的腐蚀；使用除氧剂，减少对钻杆柱的氧化腐蚀

滑复合运动时，由于交变接触应力的作用，

使表面材料疲劳断裂而形成点蚀或剥落的现象。表现为裂纹

滑复合运动时，由于交变接触应力的作用，

使表面材料疲劳断裂而形成点蚀或剥落的现象。的逐渐形成和扩展，最后在受摩擦学负荷的范围内脱落下一些颗粒状或片状磨屑，结果留下一些麻点和坑穴。疲劳磨损是较较严重的一种磨损。钻杆柱受到周期性的复合应力作用，同时纵振、横振及扭振使钻杆柱接头之间发生碰撞，长期的服役容易使钻杆柱发生疲劳磨损失效。

4．腐蚀磨损

腐蚀磨损是摩擦副对偶表面在相对滑动过程中，表面材

料与周围介质发生化学或电化学反应，并伴随机械作用而引

起的材料损失现象。当钻井液中CO2和H2S含量高时，会使

钻井液pH降低，H+离子直接与铁杆柱的Fe交换电子，从而

溶解钻杆；在钻井过程中,大气中的氧以及地表、地下水中的

氧会通过泥浆泵等设备在钻井液的循环过程中混入其中成为

游离氧，氧含量增加,腐蚀钻杆中的铁,腐蚀产物为黑色致密的

Fe3O4和红色酥松的Fe2O3等化合物；主要来自钻井液处理剂、

主要来自地层水和岩层其它腐蚀介质包括Cl-、SO42-、Ca2+、

CO32-、HCO3-等,其中以Cl-的影响最为显著,半径小、穿透能

力强,容易透过钻柱构件表面膜内极小的孔隙,直接与金属接

触,起到催化、促进腐蚀的作用。